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PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

FUNDACIONES DE SECADORES ROTATORIOS Y

HORNOS DE CAL

AICE-PRC-010-0

Revisión 0

VIGENCIA 23 DE ABRIL DEL 2015

ASOCIACIÓN DE INGENIEROS CIVILES ESTRUCTURALES

COMITÉ TÉCNICO DE MINERÍA E INDUSTRIAS


FUNDACIONES DE SECADORES ROTATORIOS Y

HORNOS DE CAL

Rev. Fecha Emitido Para Por Revisor CTMI Presidente

AICE

A 07-01-2015 Revisión CTMI Javier Solar José M. Cancino P. Pineda

R. Montecinos

René Lagos

B 29-01-2015 Revisión Socios

AICE

Javier Solar José M. Cancino P. Pineda

R. Montecinos

René Lagos

0 23-04-2015 Difusión y

Aplicación

Javier Solar José M. Cancino P. Pineda

R. Montecinos

René Lagos

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FUNDACIONES DE SECADORES

ROTATORIOS Y HORNOS DE CAL

AICE-PRC-010-0 Página 3 de 19


PREFACIO

El presente procedimiento de diseño – Fundaciones de Secadores Rotatorios y Hornos de Cal

– está orientado a proveer a los ingenieros civiles estructurales de procedimientos y prácticas

para la ingeniería estructural en el área Minera e Industrial.

Este procedimiento tiene carácter general, por lo tanto, contiene estándares mínimos y en

algunos casos no detallados, según las condiciones geotécnicas, sísmicas, estructurales,

disposiciones de equipos, instalaciones y características de cada proyecto en particular.

Estos documentos no tienen carácter normativo, de criterios de diseño o especificaciones, por

lo que su aplicación es un complemento a las disposiciones definidas en cada proyecto.

Este procedimiento de diseño ha sido elaborado por el Comité Técnico de Minería e

Industrias de AICE y solo puede ser modificado por este.

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ÍNDICE

CONTENIDO PÁGINA

1. ALCANCE Y CAMPO DE APLICACIÓN ........................................................................... 5

2. DESCRIPCION ........................................................................................................................ 6

3. NORMAS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA............................................................... 8

3.1 Normas ...................................................................................................................................... 8

3.2 Documentos ............................................................................................................................... 8

4. CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO ........................................................................ 9

5. ESTADOS Y COMBINACIONES DE CARGA ................................................................. 10

5.1 Peso Propio (PP) ..................................................................................................................... 10

5.2 Sobrecarga (L) ........................................................................................................................ 11

5.3 Operación Normal (OP) ......................................................................................................... 11

5.4 Cargas Sísmicas (Eh, Ev) ....................................................................................................... 11

5.5 Viento (W) ............................................................................................................................... 14

5.6 Cargas por Temperatura (T) ................................................................................................. 14

5.7 Combinaciones de Cargas ...................................................................................................... 14

6. ANALISIS ............................................................................................................................... 15

6.1 Verificación Volcamiento Horno ........................................................................................... 15

6.2 Verificación Estabilidad Global ............................................................................................ 16

7. DISEÑO ................................................................................................................................... 17

7.1 Losa de Fundación .................................................................................................................. 17

7.2 Muros, Cepas Columnas ........................................................................................................ 17

7.3 Losa Plataforma de Operación .............................................................................................. 17

7.4 Anclaje ..................................................................................................................................... 17

8. DISEÑO ................................................................................................................................... 18

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1. ALCANCE Y CAMPO DE APLICACIÓN

Este procedimiento aplica al diseño de las cepas de hormigón armado y topes sísmicos para

Hornos y Secadores Rotatorios los cuales son utilizados en proyectos industriales (proyectos

de Cal, Celulosas, plantas de papel), expuestos a eventos sísmicos de gran magnitud. Este

tema está cubierto parcialmente en la NCh2369.OF2003, el documento entrega

recomendaciones generales (no normativos) con el solo objeto de entregar información

complementaria al diseñador.

El horno rotatorio es un equipo que consiste en un cilindro de acero que rota sobre su propio

eje a bajas velocidades (menor a 5 r.p.m. aproximadamente) impulsado por un motor y posee

una leve pendiente en su eje longitudinal (menos de 10 grados) para facilitar el flujo del

material. Se utiliza para quemar y secar residuos sólidos o líquidos viscosos, principalmente

se utiliza para la fabricación de cemento Portland, como también para la fabricación de cal,

aluminio, hierro, etc. La temperatura de proceso puede llegar entre 800 a 1000°C, lo cual

hace que se generen deformaciones térmicas importantes que deben considerarse en el

diseño, el diámetro del horno varía entre aproximadamente 1(m) hasta más de 4,5(m) y

longitud entre aproximadamente menos de 10(m) hasta más de 12(m).

El horno rotatorio se apoya en cepas de hormigón armado que se encuentran a lo largo del

horno, que se componen generalmente por muros, losas y vigas. Existe una cepa de mayor

largo en donde generalmente se encuentra apoyado el sistema motriz, y que tiene la

responsabilidad de tomar el sismo en el sentido axial.

Figura N°1. Elevación longitudinal.

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2. DESCRIPCION

La rotación del horno es producida por un motor, para seguir la rotación el horno se apoya

con rodillos que a su vez sirven de apoyos transversales y le entregan estabilidad en el sentido

transversal al horno. En el cuerpo del horno existen llantas que se ubican en el eje de los

apoyos transversales (rodillos laterales) y que se unen al manto del horno mediante topes

soldados o apernados permitiendo la dilatación radial del horno; a su vez la llanta es la que

está en contacto con los rodillos laterales permitiendo el giro del sistema.

Figura N°2. Esquema de apoyo lateral.

Para permitir la dilatación longitudinal, solo hay un apoyo fijo en este sentido, los cuales

corresponden a un par de rodillos horizontales que también están en contacto con la llanta

correspondiente. Debido a la inclinación del horno solo se deja uno de los rodillos

horizontales en contacto con la llanta, y el otro se deja entre 2 a 25(mm) respecto a la

llanta. Existen algunos hornos en lo que se encuentra solo un rodillo horizontal, y en tal

caso se deben colocar topes fijos en remplazo del rodillo faltante.

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El eje de los rodillos transversales son paralelos al eje del horno; en el caso de hornos de

menores dimensiones y que no cuentan con apoyos longitudinales se puede variar este

ángulo (“calar”) de manera que tomen las fuerzas de inercia.

Figura N°3. Esquema de apoyo longitudinal.

Como se mencionó anteriormente el horno se apoya en cepas de hormigón armado, cepas

que deben ser capaces de transmitir las cargas de operación producidas por el horno hacia las

fundaciones. Las dimensiones depende de la elevación del horno y su tamaño, además existe

más de un tipo de cepas que se muestran a continuación.

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Figura N°4. Esquema tipos de cepas.

3. NORMAS Y DOCUMENTOS DE REFERENCIA

Todos los diseños y detalles se deberán realizar con la última revisión de los documentos

listados a continuación, los que forman parte de este Procedimiento de Diseño.

3.1 Normas

NCh432 Of. 2010. Diseño Estructural – Cargas de viento

NCh2369 Of. 2003. Diseño Sísmico de Estructuras e Instalaciones Industriales

NCh3171 Of. 2010. Diseño Estructural – Disposiciones generales y combinaciones

de carga

ACI 318-11. Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary

ACI 207.2R-95. Effect of Restrain, Volume Change and Reinforcement on Cracking

of Mass Concrete.

3.2 Documentos

Ingeniería Sísmica, El caso del sismo del 3 de marzo de 1985. Dirigido por Rodrigo

Flores A.

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4. CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO

Para el diseño del sistema de anclaje es necesario considerar lo siguiente:

En los apoyos de rodillos laterales es necesario verificar el volcamiento considerando

el sismo vertical. El caso limite es cuando el horno se apoya en un rodillo y en el

opuesto la reacción se hace cero. Según NCh2369 puede aceptarse un coeficiente de

seguridad igual o mayor a 1.2, este valor depende de la geometría y los coeficientes

sísmicos

Para diseñar el anclaje longitudinal puede descontarse de la fuerza sísmica total la

fuerza de roce de los demás apoyos con un coeficiente de roce igual a 0.1 entre llanta

y rodillo

El espacio entre la llanta y el rodillo de empuje de arriba debe reducirse al mínimo

posible de preferencia de 3mm para disminuir la carga de impacto. (De acuerdo a

estudios teóricos este impacto puede duplicar la fuerza sísmica longitudinal).

Se debe solicitar al proveedor en forma preliminar y antes del proceso de compra del

equipo, a lo menos la siguiente información:

1. Topes de la llanta: generalmente los rodillos tanto horizontales como transversales

son a la vez utilizados para transmitir las cargas sísmicas a la cepa, y debe ser considerado

por el proveedor en su diseño.

2. Rodamiento y Eje de los rodillos de apoyo: las mismas consideraciones anteriores.

3. Placa base: el skid (estructura de acero en donde se apoya el equipo rotatorio, que a

su vez conecta el equipo con la cepa de apoyo) debe absorber las cargas de impacto

producto de la aceleración sísmica.

4. Llave de corte o tope sísmico: generalmente estos equipos no tienen dispositivos para

tomar el sismo; una buena alternativa es agregar un dispositivo como llaves de corte de

manera que el skid se diseñe con este concepto.

5. Pernos de anclaje: Por lo ya señalado deben solo tomar cargas de tracción. Un

problema adicional es la ubicación de estos en el skid, se deben dejar recesos en el

hormigón para poder instalar e inspeccionar los pernos. La ubicación de los pernos no

siempre es la más favorable y produce estrangulaciones en el hormigón.

Antiguamente no era posible diseñar rodillos con suficiente capacidad para resistir un

sismo severo en la dirección longitudinal y se aceptaba que fueran partes que

probablemente fallarían. Esto ya no es aceptable y debe el proveedor validar el sistema de

anclaje.

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También es necesario que el ancho de la llanta exceda en 60(cm) (De acuerdo con un

análisis dinámico, si los rodillos fallan se pueden producir desplazamientos longitudinales

del orden de 30cm), de esta manera se asegura que el horno siga apoyándose sobre los

rodillos.

Si el horno deja de rotar durante un breve tiempo, del orden de 20 minutos, se producen

distorsiones térmicas que lo pueden dañar severamente.

5. ESTADOS Y COMBINACIONES DE CARGA

5.1 Peso Propio (PP)

Esta consta de las cargas provenientes del peso de los elementos permanentes de la estructura

como:

Peso propio de la estructura tales como vigas, losas, muros, etc.

Peso de los equipos

Relleno sobre fundación.

Como ejemplo, la siguiente figura muestra un esquema de las cargas del horno.

Figura N°5. Esquema cargas de peso propio del horno.

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5.2 Sobrecarga (L)

Corresponde a la sobrecarga de uso en la plataforma, pasarelas y escaleras. Los valores se

encuentran en los criterios de diseño del proyecto.

5.3 Operación Normal (OP)

Estas cargas provienen de la operación de motor y del material en el interior del horno. Cabe

destacar que las fuerzas horizontales debido al peso de material al interior del horno debieran

ser iguales en su magnitud, pero debido al giro del horno es posible que se genere un

desbalance de las cargas con lo cual se carga un rodillo más que el otro, usualmente esa

diferencia de carga es de un 10% del peso del material (este valor debe ser confirmado por

el proveedor), lo cual se indica en el siguiente esquema:

Figura N°6. Esquema cargas de operación del horno rotatorio.

5.4 Cargas Sísmicas (Eh, Ev)

Generalmente se realiza un análisis estático con el valor máximo del coeficiente sísmico

horizontal de diseño, pero para cepas de gran altura es posible utilizar un modelo de un grado

de libertad con sus cargas tributarias para obtener el coeficiente sísmico.

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Es importante destacar que los coeficientes sísmicos que prevalecen corresponden a los del

proyecto.

El coeficiente horizontal Ch según norma NCh2369.Of2003 depende de los siguientes

parámetros:

Aceleración efectiva máxima del suelo (Ao, Zonificación Sísmica).

Razón de Amortiguamiento (ε).

Factor de modificación de la respuesta (R).

Coeficiente de importancia (I).

Tipo de suelo.

Para el caso del sismo vertical, el coeficiente sísmico vertical (Cv) corresponde según

NCh2369 a:

𝐶𝑣 =2

3

𝐴0

𝑔× 𝐼

Es importante considerar que la carga sísmica del horno actúa sobre un único rodillo,

dependiendo de la dirección del sismo. Esto se debe a que entre el horno y los rodillos no

hay conexión rígida, por lo tanto, la transmisión de carga se realiza solo por el contacto entre

ellos.

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A continuación se muestra un esquema de cargas sísmicas sobre el horno rotatorio.

Figura N°7. Esquema cargas sísmicas en el horno rotatorio.

Se establece una tabla comparativa de los coeficientes sísmicos utilizados en algunos

proyectos industriales.

Tabla N°1. Tabla comparativa entre 3 hornos rotatorios realizados.

Horno 1 Horno 2 Horno 3

Dimensiones

Diámetro horno [m] 4.0 4.5 5.4

Largo [m] 90 115 125

Peso horno [Ton] 1370 1436 1822

Parámetros

sísmicos

Factor de modificación de la respuesta (R ) 3 3 -

Amortiguamiento () 0.03 0.03 -

Importancia (I) 1.2 1.2 -

Coeficientes

sísmicos

Coeficiente horizontal (Ch) 0.34 0.36 0.42

Coeficiente vertical (Cv) 0.32 0.27 0.28

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5.5 Viento (W)

De acuerdo a la norma o Criterios de Diseño aplicables al proyecto. En el caso de Chile, la

norma correspondiente es la NCh432. En caso que el proyecto lo considere, es posible que

se requieran estudios de viento.

Se deberá incluir esta carga en los elementos estructurales y horno expuestos al viento, en las

direcciones de análisis.

5.6 Cargas por Temperatura (T)

Debido a que los equipos operan a altas temperaturas, las dilataciones o contracciones

generan grandes cargas longitudinales en las cepas. La máxima carga sobre cepas de apoyo

transversal depende del roce entre rodillo y llanta.

5.7 Combinaciones de Cargas

Las combinaciones de carga deberán estar estipuladas en los criterios de diseño del proyecto, y

deberán incluir las requeridas por las distintas normas que estén involucradas en el diseño de la

estructura (NCh2369, ACI-318, NCh3171, etc.) y de acuerdo al tipo de diseño (ASD, LRFD).

A continuación se muestran combinaciones según la norma NCh2369tipos que se pueden

utilizar en el diseño de los hornos rotatorios.

Combinaciones ASD:

PP + OP ± Eh ± Ev

PP + OP + 0.25·SC ± Eh ± Ev

Combinaciones LRFD:

1.2·(PP+OP) + 0.25·SC ± 1.4· Eh ± 1.4·Ev

0.9·(PP+OP) ± 1.4· Eh ± 0.3·Ev

Es importante destacar que las combinaciones deben considerar las cargas por temperatura,

las combinaciones obtenidas de la norma NCh2369 (lo que es normativa) no consideran los

esfuerzos internos, por el contrario las cargas obtenidas de la norma NCh3171 si los

consideran.

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6. ANALISIS

6.1 Verificación Volcamiento Horno

Esta hace referencia a evitar levantamientos y golpes alternativos en ambos lados, fenómeno

conocido como zapateo. La verificación al volcamiento según la NCh2369 es:

𝑆 =(1 − 𝐶𝑣) × 𝑐

𝐶ℎ × ℎ≥ 1.2

Donde,

c: corresponde a la distancia horizontal entre ejes horno y rodillo

h: corresponde a la distancia vertical desde el eje del horno hasta tope superior de la

circunferencia del rodillo

Cv, Ch: corresponden a los coeficientes sísmicos vertical y horizontal

respectivamente.

Figura N°8. Esquema de distancias para obtener el volcamiento.

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6.2 Verificación Estabilidad Global

Se debe asegurar que todas la cepas (el sistema cepa-horno rotatorio) sean globalmente

estables tanto para cargas de operación como para cargas eventuales (sismo). Los factores de

seguridad al deslizamiento, volcamiento y superficie de contacto de la fundación con el suelo,

deben ser establecidos en los criterios de diseño del proyecto.

Los siguientes criterios de estabilidad solo deben ser utilizados para prediseños.

Porcentaje mínimo de compresión estática: 100%

Porcentaje mínimo de compresión sísmica: 80%

Factor de seguridad mínimo al deslizamiento: FS = 1.5

Factor de seguridad mínimo al volcamiento: FS = 1.5.

Situaciones con valores menores a los establecidos en los criterio de diseño, deben ser

validados por el ingeniero geotécnico y aceptados por el cliente.

Además se debe asegurar que la máxima presión estática y sísmica según corresponda

obtenida con las combinaciones ASD sobre el suelo de fundación, no supere la presión de

contacto admisible del suelo de acuerdo al estudio de mecánica de suelos preparado para el

proyecto. En caso de no cumplir con lo anterior, se debe modificar la geometría de las

fundaciones.

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7. DISEÑO

7.1 Losa de Fundación

El diseño de fundaciones debe cumplir con los requerimientos del código ACI-318.

Las combinaciones de carga utilizadas para el diseño en hormigón armado son LRFD.

Se recomienda un espesor de tal manera que no requieran de refuerzo al corte, de lo

contrario se debe reforzar según indicaciones del código ACI-318.

La armadura por flexión deberá cubrir lo requerido en cada dirección, y ser mayor

que el mínimo requerido por la sección. También se debe verificar disponer área

mínima por efectos de retracción del hormigón dispuesto en el código ACI207-2R.

7.2 Muros, Cepas Columnas

Las combinaciones de carga utilizadas para el diseño en hormigón armado son LRFD.

El dimensionamiento de estos debe ser tal que cumpla con los desplazamientos

máximos para cada dirección además soportar las cargas de servicio.

La armadura por flexión deberá cubrir lo requerido en cada dirección, y ser mayor

que el mínimo requerido por la sección.

7.3 Losa Plataforma de Operación

La losa superior tiene recesos para introducir los pernos de anclaje, los cuales serán

removibles.

Se debe dejar embebido el inserto correspondiente que resistirá las cargas sísmicas

horizontales.

7.4 Anclaje

La losa superior tiene pasadas (orificios) para colocar los pernos de anclaje, los cuales

pueden ser removibles. Estos orificios generan estrechamientos en la losa los cuales

dificultan el hormigonado. Una alternativa es dejar recesos para instalar los pernos y

ser rellenados con mortero; en este caso el receso debe cumplir con el párrafo 8.6.7

de NCh2369.

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8. DISEÑO

Figura N°9: Foto en apoyo, disposición equipo rotatorio.

Figura N°10. Foto disposición skid.

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Figura N°11. Esquema de posible tope sísmico, no exclusivo.

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